Comunicaciones Inalámbricas GSM. Julio 06 Iván Bernal, Ph.D.

Comunicaciones Inalámbricas GSM Iván Bernal, Ph.D. imbernal@mailfie.epn.edu.ec http://clusterfie.epn.edu.ec/ibernal Escuela Politécnica Nacional Quito Ecuador Copyright @2006, I. Bernal Generalidades Agenda Identificadores Arquitectura e Interfaces Estructura de los canales 2

Bibliografía A. Miceli, Wireless Technician s Handbook, 2 nd Edition, Artech House, 2003. T.S. Rappaport, Wireless Communications: Principles & Practice, Prentice Hall. First Edition: 1995. Second Edition: 2001. W. Stallings, "Wireless Communications and Networks", 2 nd Edition, Prentice Hall, 2005. S. Redl, M. Weber, M. Oliphant, GSM and Personal Communications Handbook, Artech House, 1998. 3 Groupe Spe cial Mobile Introducción Grupo encomendado en establecer un nuevo estándar digital. Crear un sistema digital celular en el que roaming internacional se realice fácilmente con una variedad de servicios mejorados. A diferencia de D-AMPS, GSM no requería soportar la red analógica existente, sino que sería un reemplazo total. Para resolver el problema de fragmentación de los primeros sistemas celulares en Europa. Como apoyo al grupo, la Comunidad Europea asignó una nueva región del espectro, específicamente para el sistema totalmente digital. Global System for Mobile Communications Convenientemente, las iniciales se acomodaron al nuevo significado. Regulado por ETSI que lo adoptó en 1991. A fines de 1993, alguno países no europeos, como países en Sudamérica, Asia y Australia adoptaron GSM. Es un estándar de un sistema de segunda generación. El fenomenal crecimiento del estándar por todo el mundo no tiene precedentes. Alguna forma de GSM se usa en todo continente habitado. La Asociación GSM aseguraba que a inicios del 2004 había mas de un billón de usuarios en todo el mundo. 4

Introducción http://www.gsmworld.com/news/press_2006/press06_29.shtml 5 Variedades Introducción La diferencia principal es la banda de frecuencia utilizada. GSM en el Continente Americano Se usa en la banda PCS y se lo conoce como PCS-1900. GSM en Europa Usa la banda de 900 MHz. Se ha separado la banda de 1800 MHz y se lo conoce como DCS-1800. 6

Introducción Ventajas sobre sistemas analógicos Soporte para roaming internacional Una distinción entre usuario y dispositivo Calidad mejorada de voz Seguridad (autenticación y encripción) Una transmisión en GSM está encriptada, es privada. Nuevos servicios adicionales (SMS y caller ID) 7 Un verdadero estándar Introducción Se estandariza todo el sistema, incluyendo todas las interfaces entre los diferentes componentes del sistema. En el caso de los sistemas norteamericanos, la mayor parte de las interfaces son propietarias. La mayoría de sistemas norteamericanos tomaron gran parte de la terminología para sus sistemas de GSM. Especifica modulación digital, arquitectura a nivel de red y servicios. Arquitectura GSM se refiere a las interfaces estandarizadas específicamente como se indica en la figura. Nomenclatura conocida: BTS (Base Transceiver Station), BSC (Base Station Controller), BSS (Base Station System), MSC. BSC (Base Station Controller): Asignación de recursos de radio a una estación móvil, para una o varias BTSs. Julio 06 Administración de las frecuencias Iván Bernal, de radio Ph.D. (frequency hopping). 8

HLR y VLR EIR AuC Ayudan en el objetivo principal de diseño de GSM: roaming internacional. En estas bases de datos se almacenan la información y ubicación de las estaciones base de tal forma que la red pueda enrutar las llamadas apropiadamente. Es una base de datos que almacena el IMEI de todas las estaciones móviles y características del equipo que existe en la estación móvil. International Mobile Equipment Identity. Se puede averiguar si el móvil es robado o no muy rápidamente. El centro de autenticación se usa para autenticación. Tarjeta SIM (Subscriber Identity Module) Tarjeta usada por los móviles y contiene una llave especial. Una copia de esta llave se almacena en AuC. Introducción 9 Introducción 10

GMSK Gaussian Minimum Shift Keying Cambios de fase y envolvente constante. En GSM se usan canales de 200 khz. Generalidades Con bandas de 25Mhz se tienen 125 canales (sin asumir bandas de guarda), cada uno compartido usando TDMA con 8 ranuras de tiempo, da un total de 1000 canales. Considerando dos bandas de guarda de 100 khz, se tienen solo 124 canales. El ritmo de transmisión en GSM es de 270.833 kbps. Por usuario es 270.833/8=33.854 kbps. Considerando el overhead, los datos del usuario se transmiten a 22.8 kbps. Radio de la celda Entre 100 m y 35 km dependiendo de la situación. Detalle sobre TDMA En NA-TDMA, en la dirección downlink, la estación base transmitía de forma continua todas las ranuras, sin importar si las ranuras fueron asignadas o no. En GSM se especifica que la estación base puede desconectar el transmisor si las ranuras no se necesitan. 11 Generalidades 12

Identificadores Muchos de los identificadores se almacenan en la tarjeta SIM. El usuario final puede cambiarse a un teléfono diferente solo sacando la tarjeta del teléfono viejo e insertando la tarjeta en el nuevo. Las unidades GSM son totalmente genéricas hasta que se inserta el SIM. Excepto por ciertas comunicaciones de emergencia, las unidades GSM no trabajarán sin un SIM. Como la tarjeta contiene los identificadores únicos, el usuario retiene el mismo número, plan de servicio, e incluso el directorio de marcado rápido. 13 Identificadores Identificadores pueden estar asociados a: La tarjeta SIM La red (BTS) Estación móvil 14

Identificadores IMEI (International Mobile Equipment Identifier) Número de serie de 15 dígitos que se asigna a la estación móvil al momento de fabricación. IMSI (International Mobile Subscriber Identity) Es el número de teléfono asignado por el carrier al usuario. 15 dígitos consideran el código de país para ofrecer servicio internacional. Se almacena en el SIM. TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) Es asignado por el VLR luego de que un móvil se establece en la red. La red lo utiliza en lugar del IMSI para realizar algunas tareas de administración de la llamada. Es mas pequeño que el IMSI Es mas eficiente al transmitir el TMSI (es mas corto). Mejora en algo la seguridad porque el IMSI ya no debe ser transmitido tan frecuentemente. 15 Identificadores 16

Ki (Authentication key) Ki es asignada al usuario y reside en el SIM. No se transmite y se usa para el cálculo de Kc. Kc (Cipher key) Identificadores Se usa para proteger la información transmitida y previene intercepción no autorizada. Mobile Station Classmark Informa a la red de las capacidades de la estación móvil. Versión del protocolo soportado. Niveles de potencia soportados. Capacidades de encripción. Las frecuencias que soporta. Habilidades de la estación móvil para soportar servicios especiales. LAI (Location Area Identity) Identifica el país y sistema de la estación base. Similar al SID usado en sistemas norteamericanos. 17 Identificadores BSIC (Base Station Identity Code) y secuencia de entrenamiento Se asignan a cada estación base. Tienen un propósito similar al SAT en AMPS o el DVCC en NA-TDMA. Se retransmite el código BSIC a la BS. La secuencia de entrenamiento se usa también en ecualización. 18

Niveles de potencia Se permiten 5 clases de estaciones móviles divididas en base a la máxima potencia que pueden radiar. Para GSM900 La clase mas alta permite 20 W de salida (43 dbm). La clase mas baja permite 800 mw (29 dbm). Típicamente, las estaciones móviles de mano (handheld) tienen una potencia máxima de 2W (clase 4), pero como los terminales solo transmiten 1/8 del tiempo, la potencia transmitida promedio es de 250 mw. Una unidad vehicular es típicamente de clase 2. Cata MS puede disminuir su potencia desde su máximo hasta 5dBm en pasos de 2 db. 19 Niveles de potencia 20

Niveles de potencia DTX (Discontinuous Transmission) Detecta si hay actividad de voz, si no hay el transmisor no transmite. Durante una conversación telefónica típica, una persona habla generalmente alrededor del 40% del tiempo y permanece en silencio el otro 60%. Se debe detectar exactamente los periodos de silencio en la voz del usuario. Voice Activity Detection (VAD): la energía en la señal de voz se calcula para cada bloque de voz y se realiza una decisión utilizando un umbral adaptivo. Es voz o ruido? Comfort noise Si el transmisor se apaga, el otro lado de la llamada escucharía un silencio total, que suele ser una sensación molestosa. Para solucionar esto se usa este comfort noise, para asegurar al otro lado que la llamada está todavía en marcha. Ayuda con la interferencia y con el tiempo de duración de la batería. 21 Un trama se divide en 8 ranuras de tiempo. Cada trama tiene una duración de 4.62 ms. Canales Se tiene un offset entre las ranuras relacionadas en el sentido forward y reverso, para permitir que la estación móvil transmita y reciba a diferentes momentos. 22

Canales La estación base transmite canales de tráfico y control. 23 Canales 24

Canales: Frequency Hopping Bajo condiciones normales, cada transmisión perteneciente a un canal físico particular se transmite usando la misma frecuencia de portadora. Sin embargo, si los usuarios de una celda particular tiene serios problemas multipath o de interferencia, el operador puede marcar a la celda como una hopping cell. Se implementa slow frequency hopping. Se implementa trama por trama En cada trama, el sistema puede saltar a una nueva frecuencia. Se combaten desvanecimientos en frecuencias específicas. Se combate la interferencia co-canal ya que se permanece en una frecuencia solo un tiempo. Los saltos se producen a una tasa máxima de 217.6 hops/segundo. La duración de una trama es 4.615 ms 25 Canales Cada ranura tiene una asignación de tiempo equivalente de 156.25 bits. Se proveen bits para prevenir sobrelapamiento con ranuras de tiempo adyacente. 8.25 bits son de tiempo de guarda 6 bits son de inicio y parada. 26

Multitrama de tráfico Canales de tráfico De las 26 tramas que conforman una multitrama de tráfico, 24 se utilizan para tráfico de voz (tramas 0 a11 y 13 a 24). Un canal SACCH (se discute luego) se inserta en la trama 12 o en la 25. La trama restante no se usa en operación full-rate. 27 Multitrama de tráfico Canales de tráfico Los canales de tráfico pueden llevar voz digitalizada o datos de usuario. Operación full rate Se transporta los datos de usuario en una ranura en cada trama. Operación half rate Se transporta los datos de usuario en una ranura en tramas alternadas. Dos usuarios de canales half rate comparten la misma ranura de tiempo, pero transmiten de forma alternada, pasando una trama. Cada trama puede soportar el doble de llamadas: 16. Un canal SACCH solo soportar 8 ranuras por trama. Se usa la trama adicional que estaba libre (la 12 o la 25). 28

Multitrama de tráfico Canales full rate Canales de tráfico Speech Channel (Full Rate Speech, FS) Llevan voz digitalizada a una tasa (raw) de alrededor de 13 kbps. Con codificación de canal añadida se transporta por el canal a 22.8 kbps. Data Channel for 9600 bps (F9.6) Lleva datos de usuario a una tasa (raw) 9600 bps. Con FEC añadida, los 9600 bps se transportan a 22.8 kbps. Data Channel for 4800 bps (F4.8) Lleva datos de usuario a una tasa (raw) 4800 bps. Con FEC añadida, los 4800 bps se transportan a 22.8 kbps. Data Channel for 2400 bps (F2.4) Lleva datos de usuario a una tasa (raw) 2400 bps. Con FEC añadida, los 2400 bps se transportan a 22.8 kbps. 29 Multitrama de tráfico Canales half rate Canales de tráfico Speech Channel (Half Rate Speech, HS) Llevan voz digitalizada que es muestreada a una tasa que es la mitad de lo que se usa en el caso full rate. GSM anticipaba el desarrollo de codificadores que manejen una tasa (raw) de alrededor de 6.5 kbps. Con codificación de canal añadida se transporta a 11.4 kbps. Data Channel for 4800 bps (H4.8) Lleva datos de usuario a una tasa (raw) 4800 bps. Con FEC añadida, los 4800 bps se transportan a 11.4 kbps. Data Channel for 2400 bps (H2.4) Lleva datos de usuario a una tasa (raw) 2400 bps. Con FEC añadida, los 2400 bps se transportan a 11.4 kbps. 30

Los canales de control que se mencionan son aquellos que una estación móvil usa cuando no está participando en una llamada ( no asociados un canal de tráfico). Excepto el FACCH y SACCH. Tres conjuntos de canales de control BCHs (Broadcast Channels) FCCH, SCH, BCCH Canales de Control Comunes Common Control Channels PCH, AGCH, RACH Canales de Control Dedicados Dedicated Control Channels SDCCH, SACCH, FACCH Canales de control 31 Multitrama de control: Canales de control Los canales BCHs y comunes son los primeros que la estación móvil monitorea cuando se enciende. Estos canales se multiplexan en las multitramas de control (que contienen 51 tramas). Son emitidos por la BTS. Si la estación móvil requiere responder o acceder a la red, puede usar el canal RACH, que es un canal de control común. 32

Multitrama de control Canales de control Los canales BCHs y los comunes en la dirección forward, se implementan solo en ciertos canales y se les asigna ranuras de tiempo de forma muy específica. Se los ubica solo en la ranura 0 y emitidas solo en ciertas tramas dentro de la multitrama, como se ve en la figura anterior. Las ranuras 1 a 7 llevan tráficos de usuario normal. Los canales (de frecuencia) designados como canales de control todavía pueden llevar usuarios full rate en 7 de los 8 ranuras de tiempo. La especificación GSM define 34 canales (de frecuencia) como canales de broadcast estándar. 33 Canales de control Multitrama de control: Canales de broadcast FCCH (Frequency Correction Channel) Es el beacon del canal de control. La estación móvil lo busca ya que sabe que es el primer canal lógico en la secuencia de control. Se envía en la primera ranura de tiempo. La MS luego deja pasar 7 ranuras de tiempo y sabe que en la primera ranura de la segunda trama está el SCH (synchronization channel). Es una secuencia de 148 ceros. Con modulación GMSK esto se traduce en una onda sinusoidal de alrededor de 67 khz. La estación móvil detecta esta onda sinusoidal y se auto-ajusta para tener la misma frecuencia de referencia que la red. Se transmite cada 10 tramas dentro de la multitrama. 34

Multitrama de control Canales de control 35 Canales de control Multitrama de control: Canales de broadcast SCH (Synchronization Channel) Transmitido por la BTS en la ranura 0 luego de la trama del FCCH. Tiene una estructura única. Contiene: Una secuencia de entrenamiento extendida que es la misma para toda la red GSM. Permite a la estación móvil adquirir sincronización exacta. BSIC (Base Station Identity Code) Se usa como el SAT en AMPS. Ubicación de la tramas actual en relación con la hypertrama. Avances de Temporización (timing advancement, ajustes de tiempo gruesos (no finos)) BCCH (Broadcast Control Channel) Contiene los parámetros utilizados por todas las estaciones móviles en la celda para recibir y solicitar llamadas. Podría incluir parámetros de acceso y configuración. 36 Id tid d d l d d l ld

Canales de control Multitrama de control: Canales de Control Comunes PCH (Paging Channel) y AGCH (Access Grant Channel) PCH Permite que el móvil conozca que tiene una llamada ingresando. Se transmite el IMSI del abonado destino. Puede usarse también para mensajes de broadscast como parte del servicio SMS. Los PCHs pueden organizarse para permitir un modo de sleep. A las estaciones móviles se les puede asignar un grupo específico de PCHs para que los monitoreen, despertándose justo a tiempo para realizar el monitoreo. AGCH (Access Grant Channel) Para instruir al móvil a que opere en un canal físico particular (en frecuencia y número de ranura) y con un canal particular de control dedicado. Se utiliza para direccionar a la estación móvil a otro tipo de canal de control para completar el proceso de establecimiento de una llamada y/o transferir información. SDCCH (Standalone Dedicated Control Channel) 37 Canales de control Multitrama de control: Canales de Control Comunes RACH (Random Access Channel) Lo de random se refiere a que todas las ranuras reversas del canal de control son elegibles para ser un RACH. Principio de Aloha Ranurado. Este es el canal reverso que usará una estación móvil para: Originar una llamada Enviar mensajes de señalización cuando no está en una llamada Enviar acuses de recibos a mensajes recibidos de la BTS (ejemplo: a mensajes de paging) Registrarse Una estación móvil puede seleccionar una ranura utilizando un protocolo específico y luego transmitir versiones reducidas. Esto es para asegurarse de que está confinada dentro de la ranura de tiempo. La BTS determina la temporización basada en esta versión reducida y luego comanda a la estación móvil para que realice los ajustes necesarios. Si la BTS recibe con éxito el RACH, se direcciona a la estación móvil a un SDCH (Standalone Dedicated Control Channel) designado para este tipo de comunicación entre el móvil y la red. RACH lleva muy poca información. El SDCCH sirve para ese propósito. 38

Canales de control Multitrama de control: Canales de Control Comunes Ejemplo del uso de canales de control cuando una estación móvil está actualizando su ubicación. 39 Canales de control Multitrama de control: Canales de Control Dedicados SDCCH (Standalone Dedicated Control Channel) Es un canal lógico en ambas direcciones. Una estación lo solicita usado un RACCH. Asignado mediante AGCH. Consiste de 4 ranuras de tiempo en cada multitrama. Llevando un mensaje Velocidades bajas de transmisión pero suficiente para la información que necesita ser enviada. Se usa para la mayoría de los mensajes de acceso. Después de la conexión de la estación móvil con la BTS hasta justo antes de la asignación del canal de tráfico. Es un canal intermedio y temporal. Garantiza que MS y BTS se mantenga comunicados mientras el MSC y BTS verifican la unidad del abonado y reservan los recursos necesarios. Se envían mensajes de autenticación y alerta Se usa para mensajes de actualización de ubicación. Se usa como parte del establecimiento de una llamada. Pueden asignarse en canales físicos o en las ranuras 0 de los canales de broadcast si hay baja demanda de canales de broadcast o de control común. 40

Canales de control Multitrama de control: Canales de Control Dedicados SACCH (Slow Associated Control Channel) En la dirección forward transporta: Mensajes de broadcast Información de control de potencia Avances de Temporización Específicos (timing advancement, ajustes de tiempo) En la dirección reversa transporta: Mensajes con reportes de mediciones realizadas Acuses de recibo de mensajes de control de potencia Acuses de recibo de timing advancements Un concepto algo confuso es que un SACCH está siempre asociado con un canal de tráfico o un canal SDCCH, y se asocia a un mismo canal físico SACH multiplexado en una multitrama de canales de tráfico. Para señalización durante una llamada Se inserta en la trama 12 o en la 25, como se indicó anteriormente, y se usan las 8 ranuras. FACCH (Fast Associated Control Channel) Si el SACCH no es lo suficientemente rápido (para handoff) Se roba tiempo de los canales de voz (se indica usando dos bits presentes dentro de cada ranura: stealing bits). Se dispersa en 8 ranuras de tiempo en 8 tramas. Se roba la mitad de los bits del canal de tráfico. 41 Multitrama de control: Canales de Control Dedicados Canales de control 42

Trail bits (2x3 bits) Estructura de una ranura normal Permiten la sincronización de las transmisiones de estaciones móviles ubicadas a diferentes distancias de la BTS. Bits encriptados (2x57 bits) Dos bloques de 57 bits cada uno. 114 bits planos encriptados en 114 bits. Stealing bit (2x1bit) Indican si este bloque contiene datos o ha sido robada para señalización de control urgente. Bits de guarda (8.25 bits) Para evitar sobrelapamientos con otras transmisiones debidos a diferentes retardos. 43 Estructura de una ranura normal Training Sequence (26 bits) Para adaptar los parámetros del receptor a las características de propagación actuales, y seleccionar la señal mas fuerte en caso de propagación multipath. Patrón de bits conocido y diferente al de las celdas vecinas. Permite que las MS y BTS determinen si la señal recibida es del transmisor correcto y no de un transmisor provocando fuerte interferencia. Se usa también para ecualización. Se determina como afecta el desvanecimiento multipath a la secuencia de entrenamiento. El resto de la señal se procesa para compensar estos efectos. Velocidad de transmisión 44

Estructura de una ranura: otras Transmisión de corrección de frecuencia (Frequency Correction Burst) Es el FCCH. En esencia una onda sinusoidal que se obtiene con 148 ceros. Transmisión de sincronización (Synchronization Burst) El SCH contiene una secuencia de sincronización mas grande. Contiene el BSIC y el número de trama en la hypertrama. 45 Estructura de una ranura: otras Transmisión de acceso (Access burst) Para acceso al RACH y durante una llamada para corregir la temporización. Es una versión corta para asegurar que calce en la ranura de tiempo sin importar problemas severos de alineamiento. Dummy bursts Usado como relleno para ranuras sin utilizar. 46

Se especifican tres en GSM. Vocoders Por lo general, actualmente los tres se instalan en las MSs que se están fabricando. LPC-RPE (es el original), EFR, Half-Rate Vocoder. LPC-RPE (Linear Prediction Coding with Regular Pulse Excitation ) En la mayoría de procesos de vocoding se divide la voz en bloques de 20 ms. En LPC-RPE cada bloque de 20 ms de voz se representa 260 bits. 260bits/20 ms = 13 kbps. Idea básica Algunos bits del tren de voz codificada son considerados mas importantes que otros. A los mas importantes se les somete a una codificación para control de errores mas rigurosa. Se agregan también bits de paridad. El proceso de corrección de errores significa que los 260 bits/20 ms originales, se convierten en 456 bits/20 ms, es decir 22.8 kbps Se suele llamar al vocoder LPC-RPE como vocoder de 13 kbps o vocoder de 22.8 kbps. 47 Discusión simplificada del proceso Vocoders Al considerar unos bits como mas importantes, si ciertos bits de éstos fuesen alterados, se tendría un resultado mas destructivo en la calidad de voz. En GSM se dividen los bits mas importantes en dos clases (class 1). De los 260 originales 50 bits se consideran los mas importantes y se los denomina de class 1a. A estos se les agrega 3 bits de CRC. Si hay errores en estos bits se descarta lo recibido en su totalidad. 132 bits se los denomina class 1b A estos se les agrega una cola que es una secuencia de 4 bits para inicializar registros. Los (132+4) + (50+3) se someten a una codificación convolucional (FEC). La salida son 378 bits. Los 78 bits restantes se denominan bits class II No son protegidos. Se tienen 378+78= 456 bits (456 bits)/(114 bits/ranura)= 4 ranuras 48

Vocoders 49 EFR Vocoders Desarrollado en respuesta a las quejas de la calidad del vocoder original. Usa la misma tecnología ACELP de NA-TDMA. Half-Rate Vocoder Opera a la mitad de la tasa del vocoder original. Permite atender a dos veces el número de usuarios usando el mismo espacio. 50

PCS El término comunicaciones personales usualmente se aplica a nuevos sistemas y servicios (PCS) que se ofrecen a una porción creciente de la población mundial. Las tecnologías que están por debajo estas comunicaciones personales son las tecnologías celulares digitales. Con GSM siendo la mas ampliamente aceptada. Personal communications services: Another name for digital cellular operators, particularly applied to operators in the United States with spectrum at 1,900 MHz The only difference between cellular and PCS is that cellular started out transmitting your call using analog technology and PCS started out using all digital transmissions. 51 PCS Cuál es la diferencia entre PCS y celular? Perspectiva de mercado Una forma es tratar a PCS como un esquema de instalación que ocurrió luego de los celulares. Como la instalación añadió capacidad inalámbrica significativa, algo debía atraer a nuevos abonados para ocupar esta capacidad adicional. Si el celular fue para los usuarios de negocios y los adinerados, entonces PCS era para las masas. Perspectiva tecnológica El término comunicaciones personales describe un conjunto de servicios que un cliente podría esperar. Celular se refiere a una rango de soluciones tecnológicas que pueden utilizarse para entregar tales servicios. La mayoría de usuarios PCS están recibiendo estos servicios usando tecnología celular. Sin embargo, hay una minoría de tecnologías no celulares que también son la base para servicios de comunicaciones personales. Por ejemplo los sistemas cordless. 52

PCS PCS originalmente representaba a una iniciativa norteamericana con nuevas asignaciones de espectro en la banda de 1900-MHz. Así el término PCS 1900 se usa en Norteamérica para la contraparte de GSM 900. El término PCN original fue introducido en el Reino Unido antes que PCS, y se refería a las personal communications networks licenciadas en la banda de 1800 MHz. Así que el Reino Unido tuvo los primeros PCSs del mundo, a los cuales fueron y todavía son referidos como PCNs. A pedido del Reino Unido, una versión de GSM, operando en la banda de 1800 MHz, fue incluida en el proceso de especificación, ajustado a los requerimientos de la emergente PCN. Este sistema se conoce como DCS -1800 (Digital Cellular System). Una alternativa para el extraño término PCS 1900 es GSM-NA, que representa a GSM North America. Para un usuario común que no sabe ni le interesa que es un hertz, la nueva asignación en 1900 MHz son simplemente extensiones a la red celular. 53 PCS Los requerimientos generales para PCS puede ser satisfechos con las tecnologías celulares de segunda generación de hoy en día y sus evoluciones, sin importar la banda de frecuencia utilizada. El término PCS (Personal Communications Services) se refiere a una amplia variedad de accesos inalámbricos y servicios de movilidad personal provistos usando un pequeño terminal con la meta de habilitar comunicaciones en cualquier momento, en cualquier lugar y en cualquier forma. 54

TRX Una BTS contiene las TRXs (radio transceivers). Cada TRX puede manejar hasta 8 usuarios full rate. Incrementar el número de TRXs permite incrementar el número de usuarios que se manejan en una ceda, lo que implica incrementar el número de frecuencias. 55 TRX 56

TRX 57 Abis Un BSC se comunica con un BTS usando canales TDM sobre lo que se denominó la interfaz Abis Generalmente implementada usando E1s ó T1s. Puede usarse fibra o cable (si distancias cortas) o enlaces de radio (BTSs cercanas entre sí pero alejadas del BSC). 58

Transcoding and Rate Adaption Unit TRAU Puede considerarse que lógicamente pertenece al BSS, pero usualmente reside cerca del MSC ya que permite reducir significativamente los costos de transmisión. La voz se envía en un canal de 16 kbps hacia el TRAU. Sobre la interfaz de aire se usa 13 kbps para voz (full rate) y 9.6 o 14.4 kbps para datos. El TRAU convierte los 16 kbps a los 64 kbps estándar para su transferencia sobre la PSTN. 59 TRAU/Abis Abis 60

NSS Network Switching Subsystem Comprende la parte principal (core) de la red de circuitos conmutados. MSC Una MSC que provee conectividad de la red móvil a la red fija (PSTN) se denomina a gateway MSC (G-MSC). Bases de datos (VLR y HLR) 61 Protocolos y señalización La interfaz de aire consiste de las ranuras GSM, en las bandas de frecuencia TDMA/FDMA. Sobre lo anterior está el protocolo punto-punto LAPD (Link Access Protocol D channel). Usado en señalización de ISDN. Una versión modificada LAPDm (TS04.06) se usa sobre la interfaz de aire entre el TRX de la BTS y el dispositivo móvil. LAPD CRC de la capa enlace de datos no se requiere, ya se tiene FEC en el interfaz de aire. La bandera de inicio de LAPD de 8 bits no se requiere. Mensajes incluyen: Radio resource management (RR) Mobility Management (MM) Connection Management (CM). 62

Tipos Información Supervisión Sin numerar (unnumbered) Mensajes Los mensajes de supervisión y los no numerados simplemente controlan el flujo de los mensajes de información. Los mensajes de información Administración de las llamadas o conexión Administración de la movilidad Administración de los recursos de radio Un estudio detallado de los formatos de los mensajes y su semántica podría tomar un libro entero. Se presenta una noción básica de los grupos de mensajes, pero suficiente para intuir la complejidad del diseño de un sistema de segunda generación. 63 Los mensajes de información Administración de los recursos de radio Mensajes Para controlar el establecimiento, mantenimiento y la terminación de los canales de radio, incluyendo los handoffs. Mensajes del BCCH que incluyen los parámetros de configuración de la red. Mensajes de pedidos de canal (CHANNEL REQUEST), enviado en el RACH. Mensajes asociados con el PCH y AGCH (proceso usado para asignar el SDCCH para iniciar el establecimiento de una llamada). Otros ejemplos: Reportes de mediciones, enviados en el SACCH. Comandos para el handover enviados por el FACCH. Administración de las llamadas o conexión Para controlar el establecimiento, mantenimiento y la terminación de las llamadas. Se envían ya sea en un SDCCH, antes que la llamada se establezca, y en el FACCH, después que la llamada se ha establecido. Incluyen los mensajes en los que la MS origina llamadas, confirma un canal de tráfico, libera una llamada, obtiene mensajes de alerta, envía y recibe funciones DTMF, etc. 64

Los mensajes de información Administración de la movilidad Mensajes Sirven principalmente para los procedimientos de registro y actualización de la ubicación, así como para seguridad y autenticación, usando el SDCCH. Registro Una MS informa al a red que está en los alrededores usando un mensaje LOCATION UPDATING REQUEST. La red responde con LOCATION UPDATINF ACCEPT o REJECT. Cuando una MS se apaga envía IMSI DETACH INDICATION. Autenticación La red obtiene información requerida de la MS con IDENTITY REQUEST y IDENTITY RESPONSE (se envían IMSI, IMEI y TMSI). 65 Arquitectura de Protocolos La figura presenta los protocolos utilizados entre los principales componentes de la arquitectura de red. 66

Arquitectura de Protocolos La capa mas baja de la arquitectura corresponde la enlace físico entre las diversas entidades. Entre la MS y la BTS se tiene el enlace de radio discutido en el material anterior, y lleva datos de las capas mas altas. Entre otras entidades se utiliza un canal digital de 64 kbps (o 16 kbps considerando el caso deltrau). A nivel de la capa enlace de datos se usa una modificación del protocolo LAPD (usado en ISDN) llamada LAPDm, entre la MS y la BTS. Los demás enlaces que requieren este protocolo usan la versión normal. En esencia, LAPD está diseñado para convertir un enlace físico potencialmente poco confiable en un enlace de datos confiable. Usa un CRC y ARQ para manejar tramas dañadas. 67 Arquitectura de Protocolos Sobre la capa enlace, como se mencionó anteriormente, se tiene una serie de protocolos que proveen funciones específicas. Administración de las llamadas o conexión Administración de la movilidad Administración de los recursos de radio MAP (Mobile Application Part) Administración del BTS Realiza varias funciones de manejo y administrativas en la BTS, bajo el control del BSC. 68

Arquitectura de Protocolos MAP (Mobile Application Part) Es una extensión específica para redes móviles del Sistema de Señalización #7 (Signaling System SS#7). Transporta la información de señalización relacionada a actualizaciones de ubicación, perfiles de usuarios, handovers, etc. GSM MAP es un protocolo de señalización utilizado en las interfaces B, C, D, E, F y G. 69 MAP (Mobile Application Part) Arquitectura de Protocolos No corre directamente sobre la capa de enlace sino sobre dos protocolos SCCP y MTP. Son parte del sistema de señalización No.7 que es un conjunto de protocolos diseñados para proveer señalización de control dentro de redes digitales de conmutación de circuitos tales como redes públicas digitales de telecomunicaciones. Estos protocolos proveen funciones generales utilizadas por varias aplicaciones, incluyendo MAP. 70

Arquitectura de Protocolos 71 SMS Arquitectura de Protocolos 72

Fases El proceso de estandarización fue dividido, en parte debido a la demanda por equipo operacional basado en los estándares GSM, en tres fases. Fase 1 Fase 2 Fase 2+ Congelada en 1991 para permitir que los operadoras construyan sus primeras redes GSM comerciales. Los números de versión para los documentos de la Fase 1 son 3.X.X. Congelada en Octubre de 1995. Los números de versión para los documentos de la Fase 2 son 4.X.X. Mejoras subsecuentes y adiciones posteriores a Octubre de 1995, automáticamente forman parte de la Fase 2+. Los números de versión para los documentos de la Fase 2+ son 5.X.X. 73 Fases ETSI podría seguir trabajando en base a fases de forma indefinida pero muchas de las características añadidas en la actualidad son cada vez mas consideradas como opcionales y no obligatorias como en las fases previas. ETSI reconoció luego paquetes que son liberados cada año. Empezando desde 1996, a los documentos de la Fase 2+ se hacen referencia como Release 96, Release 97, Release 98 y Release 99. Finalmente, se decidió que las versiones que siguieron al Release 99 se referenciarían de acuerdo a un número de versión. Release 4 (es la primera nueva versión con esta nomenclatura). Release 5 Release 6 74

Fases ETSI y las organizaciones del 3GPP (3rd Generation Partnership Project) decidieron incluir el trabajo de estandarización de GSM en Julio de 2000. 3GPP continuaría el trabajo que llevaba a cargo el ETSI Special Mobile Group (SMG). 75 Servicios de Telecomunicaciones Usando las definiciones de la ITU-T se tienen las siguientes categorías: Teleservicios Servicios de transporte (Bearer services) Servicios Suplementarios Los servicios en GSM tuvieron una fuerte influencia de ISDN. 76

Teleservicios Servicios de Telecomunicaciones Son aquellos que las personas usan directamente. El servicio mas básico que soporta GSM es el de telefonía. Otros: En la Fase 1 Full rate vocoding (13 kbps) En la Fase 2 ( se introdujo mejoras) Half rate vocoding (6.5 kbps) Servicio de emergencia (112) Las MSs pueden usar estos números incluso sin SIM, pero esto depende de regulaciones locales. Servicio de Fax del Grupo 3 Establecido en Fase 1 pero no disponible en la práctica durante la Fase 1. Se requiere el uso de un adaptador. SMS (Short Message Service) Servicio para enviar mensajes alfanuméricos de hasta 160 bytes. Establecido en Fase 1 pero no disponible en la práctica durante la Fase 1. Punto-punto (se envía el mensaje y quien envía recibe un ACK de la entrega del mensaje). Broadcast para enviar mensajes del estado del tráfico o noticias. En la Fase II ( se introdujo mejoras) Mejoras en punto-punto y punto-multipunto Adecuadamente documentado y totalmente store-and-forward. 77 Teleservicios Servicios de Telecomunicaciones 78

Teleservicios Servicios de Telecomunicaciones 79 Teleservicios Servicios de Telecomunicaciones 80

Teleservicios Servicios de Telecomunicaciones 81 Servicios de Telecomunicaciones Servicios de transporte (Bearer services) La naturaleza digital de GSM habilita el transporte de datos como un servicio bearer hacia y desde un terminal ISDN. Velocidades hasta 9600 bps pueden no ser atractivas hoy en día pero para un medio inalámbrico móvil eran consideradas muy rápidas. Navegar Internet es un ejemplo de una aplicación que usa servicios bearer. Fase 1 Fase 2 Aceptaba solo acceso asincrónico a un PAD dedicado. PAD (Packet Assembler/Dissembler) Para acceso a redes X.25 Mejor throughput para la transmisión de datos usando un acceso de datos dedicado sincrónico con paquetes, operando a desde 2.4 a 9.6 kbps. 82

Bearer services Servicios de Telecomunicaciones Servicios Transparentes Para GSM significa que la infraestructura GSM (incluyendo las MSs) pasan los datos de un terminal sin ningún protocolo adicional para reducir el efecto de los errores introducidos por el medio. Servicios No Transparentes Añaden corrección de errores. La tasa efectiva de transmisión es mayor para el servicio no transparente. 83 Bearer services Servicios de Telecomunicaciones HSCSD (High-Speed Circuit-Switched Data) Permite la combinación de hasta 8 ranuras de tiempo para un solo enlace de comunicaiones. 8*9.6 kbps= 76.8 kbps En la práctica limitado a 64 kbps (límite en un canal ISDN). PDS (Packet Data on Signaling Channels) Una respuesta intermedia a la demanda de servicios de datos. Utilizan o piden prestado recursos de señalización. Entre 600 y 9600 bps. Aplicaciones modestas (como bajar email) se hace de forma mas económica usando servicios de paquetes de datos, y ciertamente de forma mas eficiente que HSCSD. 14.4 kbps usando un solo slot. 84

Bearer services Servicios de Telecomunicaciones Para el Release 97 la mayor novedad era GPRS. General Packet Radio Service Un servicio general de paquetes con ubicación dinámica de recursos. Diferente codificación de canal (tasa de velocidad de hasta 21.4 kbps por ranura) y la opción de utilizar hasta 8 ranuras permitirían una gran variedad de tasas de hasta 100 kbps. Afecta la interfaz de aire. 85 Servicios de Telecomunicaciones Servicios Suplementarios Son características residentes en la red misma. La MS debe tener una forma para usarlos. Call barring es bloquear o impedir la generación/recepción de ciertas llamadas. Se implementan sobre los teleservicios y servicios bearer. Las tablas indican las especificaciones pero no necesariamente se implementan. 86

Servicios de Telecomunicaciones Servicios Suplementarios 87 Servicios de Telecomunicaciones Servicios Suplementarios 88

Servicios de Telecomunicaciones Servicios Suplementarios ECT permite pasar una llamada a otro abonado (como en PBX). emlpp permite asignar alta prioridad a algunas llamadas mediante subscripción. Cuando llamadas de alta prioridad encuentran recursos limitados, la red retira los recursos de otras llamadas para liberar recursos. Un usuario estándar probablemente no tenga acceso a esto. Orientado a grupos como personal de trenes en Europa o grupos de seguridad. 89 Servicios de Telecomunicaciones Servicios Suplementarios 90

Mejoras en SIM Servicios de Telecomunicaciones 91 Mejoras en la Red NITZ Servicios de Telecomunicaciones Un nuevo mecanismo para transferir la identidad de la red, nombre de la red al equipo móvil. Ejemplo: si una red debe cambiar su nombre por razones comerciales o legales. CAMEL (Customized Applications for Mobile Network Enhanced Logic) SOR Característica de la red y ni un servicio suplementario. Herramienta para el operador para proveer a los roamers con las mismas características que disfrutan en su red nativa. Se introduce en dos fases: en los Releases 96 y 97. Costos de las llamadas de roamers pueden ser costosos porque las llamadas pueden no ser enrutadas de forma ideal. 92

Mejoras en la Red Servicios de Telecomunicaciones 93 Release 98 Already completed: Ongoing: Servicios de Telecomunicaciones BTS performance requirements for very small cell scenarios (Picocells) Access to auxiliary devices, integrated into the ME platform, through the use of the SIM Application Toolkit Access to ISPs and Intranets in GPRS Phase 2 Separation of GPRS Bearer Establishment and ISP Service Environment Setup Adaptive Multi-Rate (AMR) Call Deflection Call Forwarding Enhancements (CFE) Calling line identification enhancements (CLIe) Connecting an octet stream to a port on an Internet host (R98) Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE) - BSS Part Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE) - NSS Part Enhanced QoS Support in GPRS Follow Me Fraud Information Gathering System(FIGS) General Packet Radio Service Phase 2 (GPRS) - network part1 General Packet Radio Service Phase 2 (GPRS) - radio part1 GPRS for PCS1900 GPRS Mobile IP Interworking GSM - Cordless Telephony System (CTS) GSM Mobile Number Portability (EURO) MNP GSM-API for SIM-Toolkit 94

Release 98 Servicios de Telecomunicaciones Ongoing: Harmonization of the PCS1900 Standards with the GSM Base Specification Immediate Service Termination (IST) LAPDm performance enhancement Lawful Interception (LI) Location Services (LCS) Mobile Station Execution Environment (MExE) Modem and ISDN interworking for GPRS MS Antenna Test Method Multiple Subscriber Profile (MSP) Service Provider Number Portability (USA) Support of Localized Service Area (SoLSA) Tandem Free Operation of speech codecs in Mobile-to-Mobile Calls (MMCs) Unstructured octet stream GPRS PDP Type (R98) User-to-User Signalling (UUS) USSD Enhancements 1 Comprises sub-work items in the same table having "GPRS" in their title. 95 Release 99 and beyond Servicios de Telecomunicaciones Access to ISPs and Intranets in GPRS Phase 2 Wireless/Remote Access to LANs (R99) Advanced Addressing Architecture of the GSM-UMTS Platform Architecture overview of the GSM-UMTS System Automatic Establishment of Roaming Relations CAMEL Phase 3 Charging and Billing for GPRS Advice of Charge Charging and Billing for GPRS Hot Billing Charging and Billing for GPRS Pre-Paid End to End UMTS QoS Management Fraud Information Gathering System applied to GPRS BSS co-ordination of Core Network Resource allocation for class A GPRS services -GSM- UMTS Core Network (R99) BSS co-ordination of Radio Resource allocation for class A GPRS services - GSM Radio Access (R99) GPRS - Point-To-Multipoint Services IP-in-IP tunneling in GPRS backbone for UMTS, phase 1 96

Servicios de Telecomunicaciones Release 99 and beyond MExE Release 99 New Access Network to Core Network (BSS-NSS) interface Noise Suppression for AMR speech codec Provision of text telephony service in GSM and UMTS Service Continuity and Provision of VHE via GSM/UMTS Study on Combined GSM and Mobile IP Mobility Handling in UMTS IP CN UMTS Charging & Billing UMTS Core based on ATM Transport UMTS Numbering, Addressing and Identities UMTS Open Service Architecture Virtual Home Environment 97